Calcolo strutturale

Ponte strallato: struttura e classificazione

Il ponte strallato è un ponte sospeso? Scopri la storia, la struttura, le caratteristiche, la classificazione e gli esempi più famosi nel mondo

Dalla fine degli anni ’70 l’Europa ha visto una significativa evoluzione nelle realizzazioni di ponti strallati. Inizialmente, i modelli tedeschi degli anni ’40 e ’50 avevano una portata di circa 150-300 metri, ma le recenti opere presentano campate che possono raggiungere circa 1000 metri.

Questi ponti di grande portata, soprattutto negli ultimi decenni, hanno attirato l’attenzione di numerosi studiosi, sia per le diverse soluzioni progettuali proposte, sia per le sfide legate al loro comportamento statico e dinamico.

Data la grande diffusione di ponti è sempre utile individuare soluzioni efficienti per garantire sicurezza, sostenibilità ed efficienza delle infrastrutture di collegamento. In questo contesto assumono grande importanza il software per la gestione dei ponti, il software per l’ispezione dei ponti e il software per il monitoraggio della salute strutturale dei ponti, strumenti utili per risolvere in modo efficiente ed efficace le criticità del settore.

Ponte strallato: significato

Partiamo col dare una definizione di ponte strallato. Esso è un tipo di ponte “sospeso” in cui l’impalcato è sostenuto da una serie di cavi chiamati appunto stralli, ancorati a piloni o “antenne”, che possono essere ancorati al suolo o all’impalcato stesso. A differenza dei ponti sospesi propriamente detti, dove l’impalcato è sostenuto tramite pendini verticali ai cavi portanti che formano una parabola, gli stralli dei ponti strallati collegano direttamente l’impalcato alle torri e hanno una forma quasi rettilinea.

I ponti strallati sono costituiti da un impalcato sostenuto da un numero limitato di funi, pressoché rettilinee, chiamate “stralli”. Le funi, rinviate da un pilone o “antenna”, possono essere ancorate al suolo oppure all’impalcato stesso nei sistemi bilanciati.

I cavi impiegati sono raggruppabili in due famiglie: quelli costituiti da singoli elementi (fili o trefoli) avvolti a spirale e quelli in cui le unità elementari sono paralleli. Le prime vennero impiegate in tutti i primi ponti strallati mentre ora tendono ad essere sostituite da quelle ad elementi paralleli.

I piloni possono assumere diverse forme: singoli, doppi (posizionati ai lati dell’impalcato), a portale (simili ad un architrave) o piloni ad “Y” rovesciata o “V” rovesciata. La loro forma influisce sulla disposizione della sospensione degli stralli, che può essere o laterale. Infine, all’aumentare della distanza tra i piloni, cresce la tensione necessaria nei cavi principali per sostenere l’impalcato; tuttavia, una maggiore altezza consente di aumentare questa distanza tra i piloni e quindi di realizzare luci più impegnative.

Ponti strallati: dalle origini ai giorni nostri

La tecnica di usare i cavi inclinati per sostenere una trave retta affonda le sue origini nel passato. Ci dobbiamo riferire, infatti, alle navi egiziane che utilizzavano funi vegetali per sorreggere il picco superiore della vela. Nei ponti le origini sono nei ponti levatoi dei castelli medievali, sostenuti da catene. Anche se le origini dei ponti strallati moderni risalgono a tempi antichi, almeno quanto quelli sospesi, è stato solo intorno al 1950 che hanno iniziato a svilupparsi e diffondersi.

Il primo ponte strallato moderno è stato lo Strömsund Bridge in Svezia nel 1955, progettato da Franz Dischinger, con una campata centrale metallica di 183 metri sostenuta da 4 stralli. Questi ponti iniziarono a diffondersi negli anni ’60 in Germania, quando la ricostruzione post-bellica richiedeva numerosi attraversamenti del Reno con luci libere di 150-300 metri.

La struttura di un ponte strallato

I ponti strallati si distinguono per la loro capacità di superare grandi luci, coprendo approssimativamente il 90% della gamma di luci attualmente richieste. Affrontare tali grandi distanze richiede un’ottimizzazione dei materiali, con una conseguente riduzione del peso, mantenendo al contempo elevata resistenza. Da qui deriva la necessità di utilizzare meccanismi di resistenza di tipo assiale sugli elementi strutturali.

Il sistema di cavi consiste in stralli direttamente collegati all’antenna e all’impalcato. Questo sistema distribuisce le forze in modo uniforme nell’impalcato, consentendo l’uso di sezioni ridotte e aumentando il potenziale smorzamento della struttura. Gli stralli possono essere di due tipi: cavi con funi spiroidali, che possono essere semplici o chiuse, e cavi con fili paralleli.

L’impalcato è la parte strutturale del ponte che supporta il piano carrabile e deve resistere alle forze flessionali e orizzontali trasmesse dagli stralli. Può essere realizzato in cemento armato precompresso, acciaio o in una struttura mista, e solitamente è composto da una struttura principale e da una piastra collaborante. La scelta della tipologia di sezione e del materiale dipende dalla disposizione dei cavi, dalla lunghezza delle campate e dalle condizioni ambientali. Le antenne sostengono le campate e definiscono il design del ponte. Trasmettono le forze provenienti dagli stralli e le trasformano in sforzi assiali. Possono essere realizzate sia in conglomerato cementizio armato sia in acciaio, anche se per finalità tecnico-architettoniche è preferita la prima opzione. Tipicamente queste strutture possono avere:

  • una forma ad H, che comporta due file di stralli ed è utilizzata principalmente per luci medio-piccole;
  • una forma ad A o a Y invertita, che comportano una o più file di stralli e trova maggiore applicazione per ponti di luce medio-grande;
  • una forma ad I, esteticamente preferibile, che prevede una sola fila di stralli ed una elevata rigidezza torsionale dell’impalcato.

Gli ancoraggi interessano sia la connessione tra l’antenna e lo strallo, sia quella tra lo strallo e il blocco di ancoraggio. In particolare, per quanto riguarda gli ancoraggi tra antenna e stralli, questi devono consentire la connessione e facilitare l’ispezione e, se necessario, la sostituzione degli stralli danneggiati.

Al fine di un’immediata comprensione del comportamento della struttura, nell’ambito della teoria del 1° ordine, si può sottolineare come, esclusa la componente orizzontale, gli stralli funzionano da molle per cui l’impalcato è fondamentalmente una trave continua su appoggi parte fissi e parte elastici. Caratteristica di questa tipologia strutturale è quella di assumere un comportamento “quasi reticolare”, ossia soggetto principalmente a sforzi assiali. In particolare, nei sistemi autobilanciati, l’impalcato è soggetto principalmente a compressione; nel caso delle soluzioni ancorate al suolo, l’impalcato è soggetto a trazione. In entrambe le casistiche, gli stralli risultano sempre tesi.

Ponte a stralli: l’importanza del numero di stralli

Di fondamentale importanza risulta la scelta del numero di stralli da porre in opera, quindi di come disporre i vincoli sull’impalcato, in quanto essa influenza i diagrammi degli sforzi
assiali nell’impalcato stesso.

Progettare un ponte strallato prevedendo un elevato numero di stralli ha una serie di vantaggi:

  • la travata dell’impalcato può essere estremamente sottile, potenzialmente priva di rigidezza flessionale, poiché gli effetti locali del carico tra due stralli adiacenti diventano meno significativi;
  • gli stralli sono di dimensioni più ridotte, rendendoli più facili da trasportare e montare. Ciò comporta una riduzione delle forze concentrate nei punti di attacco dell’impalcato e dei piloni, punti di per sé critici;
  • la sostituzione degli stralli in caso di necessità, dovuta all’invecchiamento naturale o a cause accidentali, è facilitata. Con stralli molto ravvicinati, la sostituzione può persino avvenire senza la necessità di chiudere il ponte al traffico;
  • le operazioni di costruzione sono semplificate poiché ad ogni uno o due conci di impalcato corrisponde un singolo strallo, limitando così la parte che deve essere sostenuta a sbalzo;
  • aumenta la stabilità aerodinamica del ponte.

Ponte a strallo: la classificazione

Si può fare una classificazione in relazione alle campate presenti, nello specifico:

  • ponte strallato a due campate;
  • ponte strallato a tre campate;
  • ponte strallato a campate multiple.

 

Struttura di un ponte a strallo – disegno

Un’altra classificazione si può fare in riferimento agli stralli presenti, in particolare:

  • singolo sistema di stralli con un cavo di ancoraggio: richiede la presenza di campate di avvicinamento all’antenna;
  • doppio sistema di stralli: non richiede la presenza di campate di avvicinamento all’antenna;
  • due singoli sistemi di stralli con un solo cavo di ancoraggio: richiede la presenza di campate di avvicinamento alle antenne;
  • due doppi sistemi di stralli: non richiede la presenza di campate di avvicinamento alle antenne.

Come possono essere disposti gli stralli?

Gli stralli possono essere disposti in 3 differenti modi:

  • disposizione ad arpa: gli stralli disposti in parallelo tra loro e che si connettono alle antenne ad altezze diverse. In questo caso, gli stralli inferiori hanno una efficacia ridotta perché i punti di attacco all’antenna subiscono spostamenti a causa della deformabilità della trave di riva e ciò provoca, inoltre, azioni flessionali nell’antenna (assenti nello schema a ventaglio); di contro, questo schema presenta il vantaggio di avere gli attacchi alla travata tutti uguali. Da considerare, infine, è che l’altezza delle antenne è generalmente superiore con questo schema;
  • disposizione a ventaglio: gli stralli che si irraggiano da un unico punto nella sommità delle antenne. Teoricamente, questa soluzione è la più vantaggiosa in quanto l’antenna è soggetta prevalentemente a compressione e, poiché tutti gli stralli convergono in un unico punto collegato al suolo dal cavo di ormeggio, può subire spostamenti limitati. Lo svantaggio principale è dato dalla mancanza di spazio a causa dell’arrivo in un unico punto dell’antenna di tutti i cavi, con la formazione di pericolose contrazioni locali di sforzi;
  • disposizione a semi-ventaglio: simile alla disposizione a ventaglio, ma i cavi sono posizionati a distanze diverse sull’antenna senza essere paralleli. Questa configurazione è più economica e combina i vantaggi della disposizione a ventaglio con una maggiore rigidità strutturale e minori sollecitazioni sulle torri. Inoltre, semplifica la tecnologia poiché offre più spazio per l’ancoraggio degli stralli sulle torri. La posa di questi stralli è più semplice rispetto a quella necessaria per un ponte sospeso, rendendo la collocazione e il posizionamento più rapidi ed efficienti.

Analizzando la disposizione trasversale degli stralli, questi possono essere contenuti in un unico piano verticale oppure in 2 piani. Nello specifico:

  • nel primo caso, l’antenna può essere costituita da un unico pilone oppure da una Y rovescia e, trasversalmente, l’impalcato si comporta come due mensole incastrate nel piano medio verticale che contiene gli stralli: le eventuali asimmetrie dei carichi accidentali devono essere portate per torsione nell’impalcato, che deve essere necessariamente a cassone;
  • nel caso, invece, di stralli su due piani il comportamento trasversale dell’impalcato è quello di una trave semplicemente appoggiata alle estremità. L’asimmetria dei carichi accidentali provoca reazioni diverse negli stralli e la sezione di impalcato può essere ancora a cassone o da due travi di bordo collegate da travi trasversali. I due piani che contengono gli stralli possono essere verticali (o quasi) ed allora l’antenna deve avere due ritti eventualmente collegati in sommità da un trasverso; se, invece, i piani convergono in sommità allora l’antenna avrà la forma di una V rovescia.

Ponte strallato e ponte sospeso: similitudini e differenze

Nel panorama delle grandi strutture supportate da cavi, emergono due tipologie principali: i ponti strallati e i ponti sospesi, tipologie spesso confuse una per l’altra. La distinzione, in realtà, è ben definita sia dal punto di vista formale che strutturale. L’elemento chiave che differenzia i ponti sospesi dai ponti strallati è il sistema di sospensione, mentre altre componenti come l’impalcato e le torri sono simili in entrambe le strutture. Nel ponte sospeso, l’impalcato è sospeso da cavi verticali collegati a una singola fune tra i due piloni, il che limita la luce massima realizzabile. Al contrario, nel ponte strallato, i cavi collegano direttamente il ponte alle torri con una disposizione apparentemente rettilinea, consentendo attualmente di coprire luci comprese tra 200 e 1200 metri.

L’impalcato è la struttura che costituisce il piano di calpestio del ponte, dove transitano veicoli e pedoni. Può essere realizzato con vari materiali da costruzione, ma per le grandi opere si utilizzano principalmente cemento armato e acciaio. La larghezza dell’impalcato è determinata dalle esigenze di trasporto, che includono la larghezza della carreggiata, eventuali marciapiedi o piste ciclabili, e la larghezza delle rotaie ferroviarie, eventualmente disposte su due livelli. Nella direzione longitudinale, in pianta e in prospetto, gli impalcati sono solitamente rettilinei o con ampi raggi di curvatura per favorire la transitabilità, soprattutto a velocità elevate.

Un altro elemento comune alle due tipologie di ponti sono le torri, strutture che sostengono l’impalcato sottostante mediante il sistema di cavi e che, di conseguenza, lo sovrastano, costituendo un elemento architettonico e strutturale fondamentale.

Ponti strallati nel mondo: ecco gli esempi più famosi

Sono tanti i ponti strallati costruiti nel mondo. Oggi ne menzioniamo 5:

  1. il ponte dell’Isola Russkij, noto anche come “Nuovo ponte di Vladivostok”: dal 2012 detiene il record mondiale di luce libera per i ponti strallati. È un’imponente struttura che attraversa lo stretto del Bosforo orientale, in Russia. È stato costruito in occasione del summit dell’Asia-Pacific Economic Cooperation (APEC) che si è tenuto a Vladivostok nel 2012. Questo ponte strallato vanta la campata centrale più lunga al mondo, con una lunghezza di 1104 metri. Inoltre, ha stabilito il secondo record per l’altezza dei piloni, superato solo dal viadotto di Millau, e per la lunghezza degli stralli. Il design del ponte è stato influenzato da due fattori principali: la necessità di attraversare la distanza più breve possibile (1460 metri) tra le coste e la profondità del canale navigabile, che raggiunge i 50 metri. Inoltre, la località è caratterizzata da condizioni climatiche estreme, con temperature che variano da -31 °C a +37 °C durante l’anno e velocità del vento che possono raggiungere i 36 m/s, oltre a onde di considerevole altezza. Questo ponte è un’importante testimonianza dell’ingegneria moderna e della capacità umana di superare sfide ambientali e strutturali per creare collegamenti vitali e duraturi;
  2. il ponte di Sutong: un’imponente struttura strallata che attraversa il fiume Yangtze tra Nantong e Changshu nella Repubblica Popolare Cinese. Ha aperto al traffico il 25 maggio 2008 e ha ricevuto l’inaugurazione ufficiale il 30 giugno 2008. Con una campata centrale di 1.088 metri, è il ponte strallato con la maggiore luce libera al mondo. Le due pile del ponte svettano a un’altezza di 306 metri, e l’intera lunghezza del ponte, inclusi i viadotti di accesso, misura 8.206 metri. La costruzione di questa straordinaria opera è stata estremamente rapida, iniziata nel giugno 2003 e completata nel giugno 2007. Il costo totale del progetto è stato di 1.7 miliardi di dollari statunitensi;
  3. il ponte di Normandia (Pont de Normandie): negli anni ’80 l’unico attraversamento dell’estuario della Senna era rappresentato dal Pont de Tancarville, situato a circa 16 km da Le Havre, una delle città portuali più importanti della Francia. Tuttavia, con l’aumento del traffico automobilistico, divenne evidente la necessità di un nuovo ponte. Così, su progetto dell’ingegnere strutturale francese Michel Virlogeux e degli architetti François Doyelle e Charles Lavigne, iniziò nel 1988 la costruzione del Ponte di Normandia, completata dopo 7 anni. L’inaugurazione avvenne il 20 gennaio 1995, stabilendo record mondiali al momento della sua realizzazione. Il Ponte di Normandia, oltre a essere il ponte strallato più lungo al mondo all’apertura al pubblico, vantava anche la distanza record tra i suoi piloni, superando il precedente record di oltre 250 metri. Ancora oggi, il Ponte di Normandia detiene il primato della campata più lunga in Francia;
  4. il ponte Queensferry Crossing in Scozia: è il ponte strallato più lungo al mondo (2.7 km circa), caratterizzato da 3 imponenti piloni in cemento armato che superano i 200 metri di altezza. La sia realizzazione rappresenta una sfida progettuale di grande portata. Oltre alla considerazione dei fattori ambientali e territoriali circostanti, doveva soddisfare esigenze infrastrutturali specifiche e integrarsi armoniosamente con il ricco patrimonio culturale della regione. Il ponte è stato quindi progettato con un occhio attento all’estetica e alla funzionalità, tenendo conto del contesto in cui doveva essere inserito. Il ponte ha 184 cavi per sostenere il peso del ponte ed è largo 23,6 m in totale;
  5. ponte strallato sul fiume Adige: inseriamo nell’elenco anche un ponte strallato in Italia, esso attraversa il fiume Adige nelle vicinanze dei comuni di Piacenza d’Adige, situato in provincia di Padova, e Badia Polesine, in provincia di Rovigo. È lungo 1.087 metri, presenta la campata centrale più lunga d’Italia, misurando 310 metri al momento della sua costruzione. I piloni, caratterizzati da una forma a “A” e situati all’esterno degli argini del fiume Adige, hanno un’altezza di 110 metri. Sono composti da tubi in acciaio di 28 metri di lunghezza, con uno spessore di 32 millimetri e un diametro di 4 metri, con un peso di 100 tonnellate ciascuno.

 

 

 

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Pubblicato da Redazione Tecnica

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